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Adaptive Optimal Motion Control of Uncertain Underactuated Mechatronic Systems With Actuator Constraints

欠驱动 控制理论(社会学) 李雅普诺夫函数 控制工程 机电一体化 控制器(灌溉) 计算机科学 线性化 自适应控制 工程类 控制(管理) 人工智能 非线性系统 生物 物理 量子力学 农学
作者
Tong Yang,Ning Sun,He Chen,Yongchun Fang
出处
期刊:IEEE-ASME Transactions on Mechatronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:28 (1): 210-222 被引量:50
标识
DOI:10.1109/tmech.2022.3192002
摘要

Underactuated mechatronic systems are widely used in industrial production, where the control efforts and operation accuracy are both important aspects of performance evaluations. Hence, how to realize effective motion control, while reducing control efforts as much as possible, becomes an open problem for underactuated systems. Although some open loop approaches (e.g., trajectory planning) take energy optimization into account, they need linearization/approximation manipulations and exhibit weak robustness, which is prone to degrading practical control performance. To this end, this article proposes an adaptive tracking controller for uncertain multi-input-multi- output (MIMO) underactuated mechatronic systems, to fulfill accurate positioning/tracking control with saturated inputs and reduce control efforts as well. Particularly, by elaborately developing an auxiliary compensation term and a robust term, the proposed controller ensures asymptotic convergence of both actuated and unactuated variables. Meanwhile, the modified performance index function is approximated online and introduced into the Lyapunov function candidate to make the stability analysis process more concise . To the best of our knowledge, without the need of offline computation and the persistence of excitation (PE) condition, this article presents the first adaptive optimal controller to simultaneously achieve error elimination, control effort optimization, and actuator constraints for a class of underactuated systems. Finally, strict theoretical analysis and experimental validations show the effectiveness and robustness of the suggested controller.

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